秸稈沼氣產業化綜合利用模式的探討
——以青縣模式為例

李硯飛，厚汝麗，潘洪戰，黃浩，臧海龍，韓振才，代樹智，趙明星，仉磊，張成明,,7*

1(青縣新能源辦公室，河北 滄州，062650) 2(河北省青縣曹寺學區王召莊中心小學，河北 滄州，062650) 3(河北省青縣上伍鄉政府，河北 青縣，062650) 4(河北耿忠生物質能源開發有限公司，河北 滄州，062650) 5(江南大學 環境與土木工程學院，江蘇 無錫，214122) 6(清華大學 核能與新能源技術研究院，北京，100084) 7 (徐州生物工程職業技術學院，江蘇 徐州，221006)

生物天然氣是指以畜禽糞便、農作物秸稈、城鎮生活垃圾等為原料，經厭氧發酵和凈化提純后與常規天然氣成分、熱值等基本一致的綠色低碳、清潔環保的可再生燃氣[1]。生物天然氣是緩解天然氣供需矛盾的重要補充[1]。2016年7月，國家能源局發布《關于促進生物天然氣產業化發展指導意見(征求意見稿)》，指出到2020、2025和2030年，生物天然氣年生產量和消費量目標分別為100億、200億和400億m3。截止2014年底，我國有大中型沼氣工程16 450處，生物天然氣產量8.74億m3。實際產能與規劃產能差距顯著，生物天然氣產業正處于起步階段。

我國最初建立的沼氣工程以農村用戶為主。據統計，從2003～2012年，累積投入資金達918億元。然而，隨著農區散養牲畜的日益減少以及大量青壯年常年外出打工等原因，農村沼氣池缺乏原料和人力，其利用率越來越低。針對這一問題，國家開始推動小型沼氣工程的轉型升級。2015年和2016年，國家分別發布《農村沼氣工程轉型升級工作方案》和《關于申報2017年規模化大型沼氣工程中央預算內投資計劃的通知》，持續推動大型沼氣工程建設。

在國家大力支持大型沼氣工程建設的背景下，沼氣工程建設進入快速發展期。但是，目前沼氣工程建設及運營中仍存在很多問題。如何建立一個具有良好生態環境和經濟效益的，可以復制和推廣的沼氣生產經營模式也是當前沼氣工程發展面臨的重要課題之一[2-5]。在河北耿忠生物質能源開發有限公司(以下簡稱“耿忠公司”)多年生產、實踐的基礎上，筆者總結提出了秸稈沼氣產業化綜合利用的“青縣模式”。文章對“青縣模式”的發展背景、技術特點、產業基礎與現狀、運營模式等方面進行了介紹；同時，對“青縣模式”推廣時面臨的問題進行了分析并提出建議，以期為政策制定者和同行提供借鑒。

1 秸稈沼氣產業化綜合利用“青縣模式”介紹

1.1 背景介紹

我國是農業大國，每年可收集的農作物秸稈資源量為6.87億t，未利用資源量為2.15億t[6]。“青縣模式”以秸稈為原料進行沼氣生產，對沼液沼渣進行有機肥開發利用以減少化肥、農藥使用量，與農業部“一控兩減三基本”的發展戰略相吻合。

1.1.1 環境、生態效益突出

粉碎還田是目前秸稈處理的主要方式，這對于保持土壤有機質含量和微生物多樣性、改善土壤性質具有重要意義，但是連年進行秸稈還田會為秸稈上的病菌、蟲卵創造繁殖場所，并且不利于土壤保水保墑以及下茬作物正常生長[7-11]。利用厭氧消化技術將秸稈轉化為沼氣，將厭氧殘渣精制成各種有機肥反哺農業，不僅可以解決以上問題，還可以達到“清潔能源生產、廢物治理、生態農業”三位一體的目標，具有良好的環保和生態意義(圖1)。

圖1 秸稈沼氣產業化綜合利用“青縣模式”示意圖Fig.1 “Qingxian County model” for comprehensive utilization of straws for biogas production on industrial scale

1.1.2 原料供應充足、適合新建工程

原料供應是大型沼氣工程面臨的首要問題。實踐中發現，以玉米秸稈為唯一原料也可以滿足大型沼氣工程的原料需求。以千方級沼氣工程為例，需要年消耗新鮮玉米秸稈2 737.5t，需要約122 ha土地供應，原料運輸半徑較小，經濟性較好。通常情況下，大型養殖廠已建有沼氣工程，因此，“青縣模式”更加適合新建沼氣工程。

1.2 技術特點

1.2.1 特色鮮明的沼氣發酵技術

(1)純秸稈發酵技術。純秸稈(或纖維質原料)作為沼氣發酵的唯一原料時，其產氣速率往往較慢，碳氮比不平衡以及秸稈自身的抗生物降解特性是造成這一現象的主要原因。研究發現，通過改善碳氮比以及對秸稈進行預處理均可以顯著提升秸稈的產氣性能[12-13]。在連續生產條件下，秸稈固形物的降解率在50%左右，而氨氮的降解率通常在20%左右。這樣厭氧殘渣(沼液)的碳氮比會接近或低于厭氧消化底物的最佳碳氮比(25～30∶1)，在采用沼(渣)液全回用(回流)的基礎上，可以使得發酵罐內的碳氮比較為平衡，進而可以實現純秸稈沼氣發酵。多年的生產經驗說明，以純秸稈為唯一原料進行沼氣發酵也是可行的。

(2)高濃度發酵及沼液全回流技術。產氣性能和沼液消納是大型沼氣工程面臨的重要課題。高濃度沼氣發酵技術是提升沼氣工程產氣性能最直接的方法。經過多年探索，利用特有的技術可以實現罐內固形物濃度15%～25%。2007年9月，在進行為期33 d的現場測試后(400 m3發酵罐)得出結論：工程的運行數據詳實可靠，經現場測試，池容產氣率達到1.1 m3/(m3·d)、“該工程技術達到實際運行水平，可以推廣使用。”。

“青縣模式”中，秸稈含水率較低，加之厭氧殘渣夾帶以及制備有機肥時會利用一部分沼液，使得沼氣工程幾乎沒有沼液凈生成。此外，由于秸稈中蛋白質及無機鹽含量較低，使得沼液可以全部回用，消除了沼液污染隱患，工藝具有良好的環保性。

1.2.2 成熟的有機肥生產技術

耿忠公司累積投入200余萬元進行有機肥系列產品的開發，主要擁有蔬菜、果樹和大田作物使用的育苗基質、葉面肥、水溶肥和顆粒肥等產品，并于2016年10月獲得農業部頒發的肥料正式登記證(農肥(2016)準字5623號)。成熟的有機肥生產技術和豐富的有機肥施用經驗，是秸稈綜合利用“青縣模式”的重要組成部分。

1.2.3 設計靈活、適應范圍廣

耿忠公司可以設計、建設單罐體積100、500、1 000、3 000以及5 000 m3的沼氣工程，沼氣產能從日產千方級到萬方級。在采用保溫措施以及太陽能輔助加熱的情況下，也可以在東北地區進行建廠運營。

1.3 技術基礎與產業現狀

1.3.1 技術基礎

(1)耿忠公司取得15項秸稈沼氣相關的國家專利。其中發明專利1項，實用新型專利14項。

(2)獲得了一批科技成果和獎項。經河北省科技廳組織專家鑒定，“秸稈中溫高濃度發酵制取沼氣工藝技術及相關設備開發研究”屬國內首創，填補國內空白，達到國內領先水平(2012年)；“農業廢棄物沼氣資源化高效利用關鍵技術開發與集成示范”獲得省科技進步二等獎(2012年)；“基于秸稈沼液含腐植酸水溶肥料的研制”達國際同類研究先進水平(2014年)等。

(3)取得多項企業資質。“耿忠公司”具備環保工程專業承包一級，農林行業(農業綜合開發生態工程)設計乙級資質，具備完備的沼氣工程的設計、施工、運行等能力。

(4)與清華大學、農業部規劃設計研究院、中國農業大學、中國農業科學院等國內多家科研院所建立合作關系，為企業的進一步發展奠定了良好基礎。

1.3.2 產業現狀

(1) “青縣模式”在全國已推廣建設應用15處，建設規模從1 000～6 000 m3不等。

(2)公司研發的有機肥已經在河北滄州地區、山東沾化冬棗基地、山東壽光蔬菜基地、河北昌黎葡萄基地、滿城草莓基地等推廣應用，均取得良好效果。

(3)積極謀劃爭取規模化生物天然氣工程試點項目。組建河北智龍生物質科技有限公司，計劃在青縣金牛鎮閻莊子村西建設規模化生物天然氣工程，總投資6 922.88萬元，發酵罐總容積21 000 m3，可提純凈化生物天然氣459.9×104m3/年。

2 “青縣模式”推廣面臨的困難與瓶頸

2.1 建設資金嚴重短缺

建設資金短缺是所有發展中國家在發展可再生能源時面臨的共性問題，具體包括融資渠道不足、企業投資不足、政府政策不完善等[3, 17]。除規模化生物天然氣工程外，秸稈沼氣工程屬中小型投資，投資額度通常在幾百至幾千萬元。有實力的大型企業看不上，不愿投資，而沼氣的使用主體——農村又缺乏資金，這是“青縣模式”推廣面臨的一大問題。

2.2 工程用地審批困難

目前，建設沼氣站用地都是按建設用地審批，若沒有建設用地土地證書，則其他后續手續均不能辦理。由于指標有限，需要與工業園區或大型工業項目爭奪指標，加之農村土地問題敏感，使土地審批成為“青縣模式”推廣的又一重大制約。

2.3 價格政策有失公允

秸稈沼氣提純制備的生物天然氣成本為2.7～3元/m3，而目前石油天然氣享受國家補貼(大約1元/m3)，民用售價在2.75～4元/m3，生物天然氣在價格上無法與石油天然氣抗衡，市場競爭有失公允。

2.4 管理體制存在梗阻

目前全國秸稈沼氣剛剛起步，尚未建立規范化管理體制，農村沼氣站多采用“村委會為樞紐，承建公司、服務公司和農民等各方協調與配合”的聯戶運營模式。由于村委班子多變及村民矛盾多發，聯戶沼氣日常運行常會出現梗阻。

3 秸稈沼氣產業化綜合利用發展戰略與建議

3.1 制定全省(市、縣)發展規劃

建立市縣鎮三級協調機構，根據作物種植布局、村莊分布特點和秸稈運輸半徑，制定全市協同、縣為單元的秸稈沼氣產業化綜合利用建設規劃，積極協調秸稈供應、沼氣利用和有機肥使用等各個方面。

3.2 啟動戰略投資行動

建議省(市、縣)級政府引進或啟動戰略投資者，實行統一規劃、統一設計、統一建設、統一模式、分別運營的“四統一分”管理，在全省(市、縣)建設秸稈產業化綜合利用體系。也可運用PPP模式，吸收社會資本參與實施。

3.3 實行終端產品補貼

借鑒國際做法，結合落實農業部政策，對秸稈沼氣實行終端產品補貼(沼氣和有機肥)。這既可以提升秸稈沼氣工程的經濟效益，也可以促進有機肥的推廣，從而獲得良好的生態效益。

3.4 調整項目用地政策

建議執行國土資發(2014)127號《關于進一步支持設施農業健康發展的通知》，將秸稈沼氣工程和配套肥廠占地按設施農業附屬設施用地對待，或將農村土地置換的新增土地指標優先用于秸稈沼氣及配套工程，或由國土部門出臺針對沼氣工程用地的相關配套政策以加快項目建設與推廣。

3.5 制定稅收優惠政策

大型沼氣工程建設盡管進入了一個快速發展階段，但其自身的盈利性仍然較弱。在現階段，應該對投資生物質能產業的企業在稅收上給予優惠，以調動企業的積極性[17-18]。在制定政策時，可以結合我國國情與國外成熟的理念和體系，建立符合我國國情的稅收政策。

4 結語

秸稈沼氣產業化綜合利用的“青縣模式”是一項惠及能源、環保、農業的多贏工程，符合國家可持續發展戰略。盡管“青縣模式”在推廣過程碰到了各種各樣的問題，但在當地政府、政策制定者、戰略投資方、沼氣工程運營方和使用者等多方共同努力下這些問題均可以得到很好的解決，并具有良好的推廣前景。